Ученые СПбГУ открыли минерал с уникальными магнитными свойствами

Группа ученых Санкт-Петербургского университета во время ежегодной экспедиции на Камчатке обнаружила новый минерал — докучаевит, названный в честь выдающегося ученого XIX века, основоположника почвоведения Василия Докучаева. Состав и кристаллическая структура находки не имеют близких аналогов не только среди известных минералов, но также и среди сотен тысяч синтетических соединений.

© Пресс-служба СПбГУ© Пресс-служба СПбГУ

С 2014 года научная группа под руководством профессора СПбГУ Олега Сийдры изучает фумаролы вулканов Камчатки. «Фумаролы на шлаковых конусах, образовавшихся в результате прошлых извержений вулкана Толбачик, обладают уникальным минералогическим разнообразием. На сегодня здесь найдено более 400 из 5500 известных минералов. Можно сказать, что фумаролы вулкана Толбачик — это своего рода леса Амазонии неорганического мира, здесь сосредоточено около 15 % всех минералов планеты!» — рассказал руководитель научной группы Олег Сийдра.

Как и большинство минералов фумарол вулкана Толбачик, где был найден новый минерал, докучаевит (Cu8O2(VO4)3Cl3) обладает уникальной кристаллической структурой и составом, не имеющим аналогов среди природных и синтезированных соединений. Исследования кристаллов нового минерала, выполненные доцентом СПбГУ Евгением Назарчуком на оборудовании ресурсного центра Научного парка СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования», показали, что в структуре докучаевита атомы меди окружены кислородом и хлором. Число разнообразных вариантов таких комбинаций ранее не было зафиксировано ни в одном известном ученым минерале. Исследователи СПбГУ также обнаружили в структуре нового минерала оксоцентрированные тетраэдрические комплексы с медью.

«Наличие в структуре таких фрагментов, образованных магнитными ионами меди, позволяет рассматривать этот минерал, а также некоторые другие минералы из фумарол как потенциальный источник интересных магнитных материалов с разнообразным применением на практике. Оксоцентрированный тетраэдр OCu4 является простым фрустрированным комплексом, так как состоит из четырех спиновых треугольников. В двух вершинах каждого треугольника спины определены по своему направлению, а в третьем нет. Поиск потенциальных материалов, демонстрирующих свойства квантовых спиновых жидкостей, является весьма важной задачей в современной физике твердого тела. Считается, что такие материалы в недалеком будущем найдут применение при создании квантовых компьютеров», — отметил Олег Сийдра.

По результатам кристаллохимического анализа и для возможности проявления тех или иных физических свойств осуществляется синтез чистых беспримесных аналогов, на которых исследуются свойства с потенциалом использования в материаловедении и индустрии. Такой подход коллектива под руководством профессора Олега Сийдры отличается от других в России и мире полнотой цикла всех выполняемых исследований в контексте стратегии «От минералов к материалам». Для изучения более тонких физических особенностей докучаевита ученые провели работу по синтезу его аналога, сымитировав процессы образования минералов из газа в фумаролах.

«При помощи лаборатории кафедры кристаллографии и оборудования ресурсного центра Научного парка СПбГУ «Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники» студентке магистратуры СПбГУ Виктории Владимировой удалось получить и изучить чистый образец ярошевскита — отдаленного родственника докучаевита по составу, который был открыт еще семь лет назад, однако синтезировать его в лаборатории до сих пор не получалось. Исследование синтетического материала показало, что его магнитная подструктура оказалась одной из наиболее сложных для всех известных на сегодня фрустрированных магнитных материалов. Помимо этого, мы наблюдали целый ряд интересных явлений, для понимания которых нужны более детальные исследования», — подчеркнул профессор СПбГУ Олег Сийдра.

Научно-исследовательская работа по открытию докучаевита, изучению его свойств и синтетических аналогов поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований.

Результаты исследования опубликованы в журналах Mineralogical Magazine и Inorganic Chemistry
Источник: Пресс-служба СПбГУ